Физика времени

Микрочастица по своей природе не является ни волной, ни частицей, но только похожа на волну или частицу в том или ином из своих проявлений — в эксперименте, в любых обстоятельствах ее жизни, когда она движется, взаимодействует с другими частицами и полями и т. п. Если в какой-то ситуации микрочастица больше похожа на «обычную» частицу, большую определенность приобретает ее положение. Если же она больше похожа на «обычную» волну, большую определенность приобретает ее импульс. А в самом общем случае у нее нет точной, строгой определенности ни в положении, ни в импульсе. Это означает, что, хотя мы и можем характеризовать микрочастицу по классическому образцу координатой и импульсом, их значения, вообще говоря, остаются не вполне определенными. При этом чем точнее определена одна величина, тем больше неопределенности в другой. (Это отчасти видно уже и из предыдущего).

Такое соотношение определенности и неопределенности можно, как оказывается, выразить количественно. Для этого в квантовой теории вводят специальные величины, дающие меру неопределенности в значении импульса или координаты. Если говорят, что координата заключена в пределах от х до х + Δх, то величина Δх и указывает, очевидно, неопределенность в значении координаты. Точно так же, если говорят, что импульс заключен в пределах от р до р + Δр, то величина Δр характеризует неопределенность в значении импульса.

Теория и многочисленные эксперименты показывают, что неопределенности в координате и импульсе связаны между собой следующим образом: произведение Δх на Δp всегда не меньше некоторой постоянной величины. Это одинаковая во всех случаях универсальная величина носит название постоянной Планка — по имени одного из основоположников квантовой теории, немецкого физика Макса Планка (1858—1947). Ее числовое значение в Международной системе единиц (СИ) равно 6• 10^-34 Дж•с. Постоянная Планка служит количественной мерой всех физических явлений в микромире.

Связь между неопределенностями, выражающаяся через величины Δх, Δp и постоянную Планка, называется соотношением неопределенностей. Оно было открыто в 20-е годы нашего века немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976).

Соотношение неопределенностей для координаты и импульса имеет глубокое физическое содержание. Оно находит выражение не только в строении атома, в устойчивости его существования, в тех или иных экспериментах по рассеянию электронов. Оно дает ключ к пониманию того, как вообще ведет себя элементарная частица в пространстве: когда она выступает как точечная масса, а когда — как волна.

Время против энергии

А как ведет себя микрочастица во времени? Отличается ли она от «обычной» частицы классической физики и в своем временном, а не только пространственном поведении?

Да, у частиц микромира свои, особые взаимоотношения с временем. К этому мы и переходим сейчас после (по необходимости краткого) вводного рассказа о мире квантовых явлений.

Соотношение неопределенностей для координаты и импульса — только одна из закономерностей в микромире. Другое важнейшее соотношение затрагивает время. Оно тоже связывает две неопределенности: неопределенность во времени и неопределенность в энергии.

Представим себе, что электрон вылетел, например, с поверхности катода электронной лампы и двигался сначала беспрепятственно, ничего не встречая на своем пути. Пусть затем он налетел на какой-то атом или другой электрон, столкнулся с ним и, отскочив, полетел дальше. Будь электроны и атомы «обычными» частицами, мы могли бы описать это происшествие подобно, например, столкновению бильярдных шаров. Мы могли бы тогда рассматривать столкновение как некоторое механическое взаимодействие, в результате которого наш электрон изменил направление движения и свою кинетическую энергию. Мы могли бы точно сказать, в какой момент произошло взаимодействие и как именно изменилась энергия электрона.

Но электроны и атомы — квантовые объекты, и такое описание для них невозможно. Момент столкновения и изменение энергии, происшедшее в результате него, определены не вполне точно. Здесь возникает неустранимая квантовая неопределенность. И нужно говорить так: взаимодействие произошло между моментами времени t + Δt. А энергия изменилась на величину, лежащую в пределах от Е до Е + ΔЕ. Неопределенность в моменте взаимодействия дается величиной Δt, а неопределенность в энергии — величиной ΔЕ.

Между неопределенностью во времени и неопределенностью в энергии существует связь: произведение Δt на ΔЕ не меньше постоянной Планка.